Elektrikli araçlar, yenilenebilir enerji depolama sistemleri, akıllı telefonlar gibi modern dünyanın en etkili yeniliklerine güç veren akü teknolojilerinin daha verimli ve güvenli çalışmasını sağlayan Batarya Yönetim Sistemi, yani BMS’dir. Paylaşacağımız bu kısa okumada Batarya Yönetim Sistemi’nin ne olduğu, temel bileşenleri ve temel fonksiyonları üzerinde duracağız.

Batarya Yönetim Sistemi BMS nedir?

Batarya yönetim sistemi veya BMS; elektrikli araçlarda, yenilenebilir solar enerji sistemlerinde, kesintisiz güç kaynaklarında, yenilebilir güç istasyonlarında veya diğer gelişmiş uygulamalarda kullanılan akülerin veya bataryaların verimli çalışması için gerekli olan elektronik bir izleme ve kontrol sistemidir.

Bir BMS’in amacı akü paketinin veya akünün performansını, uzun ömürlülüğünü ve güvenliğini optimize etmektir. Bunu başarmak için BMS 5 temel fonksiyonu yerine getirir:

• Şarj ve Deşarj Kontrolü: Akülerin maruz kalabileceği olası hasarları önlemek için akünün şarj ve deşarj akımlarını ve voltajlarını düzenler. Bu BMS’in kullanılan enerji kapasitesini maksimum seviyeye çıkarmasına yardımcı olur.
• Hücre İzleme: Sorunları erken tespit etmek için hücre düzeyinde voltaj ve sıcaklık gibi parametreleri izler.
• Hücre Dengeleme: Akü içerisindeki hücrelerin aynı şarj ve sağlık durumunda (SOH: State of Health) kalması için enerjinin hücreler arasında dağıtılmasını sağlar. Bu sayede hücrelerin bir arada bulunduğu batarya veya akü paketi istikrarlı performansını korur.
• Termal Yönetim: Akü ömrünü korumak adına gerektiğinde soğutma veya ısıtma yolu ile hücre sıcaklıklarını güvenli çalışma aralıklarında tutar.
• Raporlama ve Haberleşme: Diğer sistemlere durum verilerini sağlar ve CAN bus gibi arayüzler aracılığı ile batarya veya akü sistemin kontrol edilebilmesine olanak sağlar.

Kısacası BMS; akü, batarya veya batarya sistemlerinin verimli, uzun ömürlü ve güvenli bir şekilde çalışabilmeleri için bir nevi beyin görevi görür.

Batarya Yönetim Sistemi BMS hangi komponentlerden oluşur?

Bir BMS sistemini oluşturan temel komponentler veya parçaları aşağıdaki gibi özetleyebiliriz:

Mikrodenetleyici: Mikrodenetleyici (microcontroller), BMS içerisindeki tüm işlemleri düzenleyen merkezi bir beyin görevi görür. BMS’in sahip olduğu çeşitli sensörlerden topladığı verileri karmaşık algoritmalar kullanarak işler ve kritik kararlar verir. Bunun yanında mikrodenetleyici hücre dengeleme, termal düzenleme, arıza tespiti ve harici cihazlarla iletişim gibi görevleri yönetir.

Sensörler: Sensörler batarya veya akü içerisindeki hücrelerin durumu hakkında gerçek zamanlı veri sağlayarak hücrelerin durumunun BMS tarafından izlenebilmesini sağlar. Bir BMS’in sahip olduğu sensörlere örnek vermek gerekir ise:

• Voltaj sensörleri: Bu sensörler her bir hücrenin sahip olduğu voltaj değerlerini mikrodenetleyiciye ileterek BMS’in her bir hücrenin şarj durumunu (SOC) izleyebilmesini sağlar. Bu sayede BMS hücreleri aşırı şarj veya aşırı deşarj durumlarından korur.
• Akım Sensörleri: Bu sensörler aküye giren ve çıkan akımı izleyerek BMS’in şarj ve deşarj oranlarını kontrol etmesini, akım iletimindeki anormallikleri tespit etmesini ve çalışma süresini optimize etmesini sağlar. Yaygın olarak kullanılan şant dirençleri (shunt resistor) BMS’lerde kullanılan akım sensörlerine örnek verilebilir.
• Sıcaklık Sensörleri: Her bir hücrenin veya hücre grubunun sıcaklıklarının izlenmesi için batarya veya akünün içerisine stratejik olarak yerleştirilirler. Bu sayede BMS aşırı yük veya diğer farklı sorunlar nedeniyle ortaya çıkabilecek aşırı ısınmış noktaları tespit eder.

Hücre Dengeleyiciler: Aküdeki tüm hücreler arasında eşit bir şarj durumu (SOC) veya seviyesi sağlamak için gereklidir. Hücreler yaşlandıkça veya farklı şarj-deşarj döngülerine maruz kaldıkça şarj durumlarında (SOC) dengesizlikler oluşabilir. Hücre dengeleyiciler şant dirençleri veya transformatör tabanlı devreler kullanarak düşük yük veya yükün olmadığı durumlarda şarj durumunun yüksek olduğu hücrelerden düşük olduğu hücrelere enerji dağıtımı sağlayarak dengeleme görevini yerine getirirler. Bu dengeleme işlemi hücrelerin aşırı şarj veya deşarj olmasını önleyerek bataryanın ömrünü artırır.

Güç anahtarları / Röleler: Meydana gelebilecek arıza, aşırı ısınma veya diğer kritik durumlarda aküyü elektriksel olarak izole ederek bir nevi güvenlik anahtarı görevi görürler. MOSFET veya Solid State Röle (SSR) gibi uygulamalar akünün yük veya şarj kaynağı ile olan bağlantısını çok hızlı bir şekilde kesebildikleri için güç anahtarı veya röle komponenti örnekleridir.

Termal Yönetim Sistemi: Termal yönetim sistemi akünün sıcaklığını güvenli çalışma sınırları içinde düzenlemekten sorumludur. Soğutma fanları, sıvı soğutma devreleri gibi özel bileşenlerden oluşur. Termal yönetim sistemi mikrodenetleyici ve sıcaklık sensörleri ile organize çalışarak hücre veya hücre gruplarının optimum performans ve ömürde çalışmaları için sıcaklıklarını kontrol altında tutar.

Haberleşme Arayüzleri: Modern BMS tasarımları harici sistemlerle veri ve kontrol talimatlarının alışverişini sağlayan haberleşme arayüzleri içerir. CAN ve UART gibi veri iletişim protokolleri en yaygın kullanılan haberleşme arayüz araçlarıdır. Bu tip protokoller BMS’in harici sistemler ile (örneğin inverter veya şarj istasyonu) iletişim sağlayıp şarj-deşarj komutu alma, anlık teşhis bilgilerini raporlama, uzaktan izleme ve kontrol sağlama gibi işlevleri yerine getirmesi için gereklidir.

Akü Ömrünü ve Güvenliğini Optimize Etme

Yukarıda temel komponentlerini sıraladığımız iyi tasarlanmış bir BMS, aktif izleme ve kontrol yetenekleri sayesinde akü işletiminin kritik yönlerini önemli ölçüde iyileştirir:

Performans optimizasyonu: Akü içerisindeki hücrelerin voltajlarını, akımlarını ve sıcaklıklarını sürekli takip ederek daha hassas şarj-deşarj kontrolü sağlar. Bu da aküden maksimum kapasite ile faydalanılmasını güvenli şekilde sağlar.

Kullanım Ömrünü Uzatma: BMS, aşırı şarj, aşırı deşarj akımı veya ekstrem sıcaklık durumlarında akü içerisindeki hücrelerin hasar almasını engeller. Oluşabilecek sorunları önceden tespit ederek akü kapasite düşüşünü engeller.

Emniyet Güvencesi: Akü içerisindeki tüm hücreleri benzer şarj durumlarında (SOC) dengede tutmak BMS’in en kritik görevidir. Dengeleme algoritmaları kullanarak akünün veya akü sisteminin daha sağlıklı ve güvenli çalışması için enerjiyi güçlü hücrelerden daha zayıf hücrelere dağıtır. Bu sayede akü veya akü sistemi içerisinde tehlikeli olabilecek dengesizliklerin önüne geçer.

BMS Hücre Dengeleme Nedir?

BMS’in en kritik görevi olarak paylaştığımız hücre dengelemeyi her bir hücrenin voltaj değerlerinin kendi aralarında eşitlenmesi olarak tanımlayabiliriz. Özellikle LifePO4 veya Lityum-İyon (Li-ion) aküler için hücre dengeleme gereklidir çünkü:

• Akü veya akü sistemi içerisindeki hücrelerden biri tamamen boşaldığı an deşarj mutlaka durmak zorundadır
• Akü veya akü sistemi içerisindeki hücrelerden biri maksimum doluluk voltajına ulaştığında şarj mutlaka durmak zorundadır

Aksi halde termal kaçaklar ve feci hasarlar meydana gelebilir. Bu yüzden hücre dengeleme prosesi BMS’in sağladığı bir emniyet güvencesidir.

BMS tasarımlarında yaygın olarak kullanılan iki hücre dengeleme tekniği vardır.

I.Pasif Hücre Dengeleme

Aşağıdaki örnekte paylaşıldığı gibi 3 adet farklı şarj durumlarına (SOC) sahip hücreden oluşan bir akünün olduğunu düşünün. En düşük şarj durumuna sahip olan 2 nolu hücre %50 SOC’de olduğundan, pasif hücre dengeleme tekniği kullanan bir BMS diğer 1 ve 3 nolu hücreleri resistör veya dirençlere bağlayarak 2 nolu hücrenin sahip olduğu SOC seviyesine eşitler. Başka bir deyişle 1 ve 3 nolu hücrelerin 2 nolu hücreye göre sahip oldukları fazla enerji dirençler aracılığı ile ısıya dönüştürülür.

Pasif hücre dengeleme tekniği yaygın olarak düşük voltaj değerine sahip LifePO4 akü tasarımlarında kullanılır. Bunun sebebi ise düşük voltajlı akü sistemlerinde eşitleme prosesi sonucu ortaya çıkan ısı ciddi seviyelere ulaşmadığından LifePO4 akülerde ekstra soğutma sistemi ihtiyacı olmamasıdır.

Avantajları: Tasarımının basit olması, düşük maliyet

Dezavantajları: Akü kapasitesinin en zayıf olan hücrenin şarj durumu (SOC) ile sınırlı olması, ısıya dönüştürülen enerjinin israfı, yüksek voltajlı akü veya akü sistemlerinde ekstra soğutma sistemi ihtiyacı

II.Aktif Hücre Dengeleme

Bir önceki örnekteki gibi yine farklı şarj durumlarına sahip 3 hücreden oluşan bir akünün olduğunu düşünün. Aktif hücre dengeleme tekniği kullanan bir BMS bir kapasitör, indüktör veya DC-DC konverter aracılığı ile yüksek enerjili hücrelerden daha düşük enerjili hücrelere enerji akışı sağlayarak eşitleme prosesini gerçekleştirir. Bizim örneğimizde, 1 nolu hücreden 2 nolu hücreye fazla olan enerji transfer edilerek hücreler arasında eşitleme gerçekleştirilmiş olur.

Avantajları: Daha az enerji israfı, akü veya akü sisteminin kapasitesinin hücrelerin şarj durumu (SOC) ortalamasına eşit olması

Dezavantajları: Tasarımının kompleks olması, yüksek maliyet

Aktif hücre dengeleme tekniği yaygın olarak Lityum-İyon hücrelerden oluşan enerji depolama sistemleri gibi yüksek voltaj akü sistemlerinde kullanılır.

Sonuç

Gerçek zamanlı verilere ve modellemeye dayalı dikkatli denetleme ve düzenleme sistemi sayesinde akıllı bir BMS, akü ve akü sistemlerini yöneten bir beyin görevi görür. Bu yüzden akıllı bir BMS arızaları, yangın risklerini ve kullanım ömrünü kısaltabilecek veya sona erdirebilecek koşulları önleyerek daha emniyetli ve daha yüksek performanslı akü ve akü sistemleri sunar.